Fiche de révision : Structure interne de la Terre et discontinuités

📋 Plan du Cours

1. Structure couches internes
2. Discontinuités sismiques
3. Ondes sismiques
4. Composition roches
5. Méthodes indirectes
6. Modèle PREM
7. Gradient géothermique
8. Transferts thermiques
9. Hétérogénéité thermique

📖 1. Structure couches internes

🔑 Notions clés & Définitions

• Croûte continentale : couche de composition granitique (quartz, feldspaths, mica), densité d’environ 2.7, épaisseur moyenne de 35 km, pouvant varier de quelques kilomètres à plus de 70 km sous montagnes.
• Croûte océanique : couche basaltique et gabbroïque (plagioclases, pyroxènes), densité d’environ 2.9, très faible épaisseur, souvent recouverte de roches sédimentaires.
• Manteau supérieur : constitué de péridotites (olivine), densité d’environ 3.3, supporte les croûtes, supporte la lithosphère, jusqu’à environ 700 km de profondeur.
• Lithosphère : ensemble rigide formé par la croûte et le manteau lithosphérique, cassante, délimitée par la discontinuité de Mohorovicic (Moho).
• Asthénosphère : couche ductile située sous la lithosphère, jusqu’à environ 700 km de profondeur, permettant le déplacement des plaques lithosphériques.

📝 Points essentiels

• La croûte continentale a une composition proche du granite, avec une épaisseur variable selon la topographie et la tectonique, tandis que la croûte océanique est principalement basaltique, plus dense, et très fine.
• La discontinuité de Mohorovicic (Moho) marque la séparation entre la croûte et le manteau supérieur, située entre 5 et 10 km sous les océans, et entre 20 et 90 km sous les continents.
• Le manteau supérieur, constitué de péridotites, supporte la lithosphère, qui est rigide et cassante, contrastant avec la lithosphère qui inclut la croûte et une partie du manteau.
• La structure concentrique de la Terre est composée de couches superposées, avec une transition progressive vers des zones ductiles dans l’asthénosphère.

💡 À retenir

La Terre est organisée en couches concentriques, dont la croûte, le manteau supérieur, la lithosphère et l’asthénosphère, séparées par des discontinuités majeures, permettant de comprendre sa structure interne à partir des ondes sismiques.

📖 2. Discontinuités sismiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Discontinuité de Mohorovicic (Moho) : séparation entre la croûte et le manteau, caractérisée par un changement brusque de composition minéralogique et de propriétés physiques, située entre 5 et 10 km sous les océans et entre 20 et 90 km sous les continents.

• Discontinuité de Gutenberg : passage du manteau au noyau externe liquide, situé à environ 2900 km de profondeur, responsable de la zone d’ombre sismique où aucune onde P n’est détectée entre 105° et 142° de distance angulaire.

• Discontinuité de Lehman : séparation entre le noyau externe liquide et le noyau interne solide, située à environ 5150 km de profondeur, détectée par la disparition des ondes S.

• Zone d’ombre sismique : zone située entre 105° et 142° où les ondes P directes ne sont pas détectées, liée à la discontinuité de Gutenberg, indiquant la présence d’un noyau liquide.

• LVZ (Low Velocity Zone) : zone de faible vitesse des ondes sismiques située à la limite entre la lithosphère et l’asthénosphère, correspondant à la zone de transition où la lithosphère cassante devient ductile.

📝 Points essentiels

• La discontinuité de Mohorovicic (Moho) marque la transition entre la croûte (continentale ou océanique) et le manteau supérieur, avec une différence de composition minéralogique (granite pour la croûte continentale, basaltes et gabbros pour la croûte océanique) et de propriétés physiques.

• La discontinuité de Gutenberg à 2900 km correspond à la transition du manteau au noyau externe liquide, ce qui explique la zone d’ombre sismique où les ondes P sont réfractées ou absorbées, empêchant leur détection dans cette région.

• La discontinuité de Lehman à 5150 km indique la frontière entre le noyau externe liquide et le noyau interne solide, détectée par la disparition des ondes S qui ne traversent pas les liquides.

• La zone d’ombre sismique est une conséquence directe de la discontinuité de Gutenberg, témoignant de la présence d’un noyau liquide.

• La LVZ, située entre la lithosphère et l’asthénosphère, correspond à une zone où la vitesse des ondes diminue, liée à la ductilité croissante des matériaux en profondeur.

💡 À retenir

Les discontinuités sismiques, telles que le Moho, Gutenberg et Lehman, révèlent la stratification complexe de la Terre, en distinguant ses différentes couches par leurs propriétés physiques et composition, essentielles à la compréhension de sa structure interne.

📖 3. Ondes sismiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Ondes P (primaires) : Ondes de compression, plus rapides que les ondes S, se propagent dans les solides et liquides. Selon PERROUX (date), elles sont comparables aux ondes sonores et permettent de détecter la structure interne en traversant tous les types de matériaux.
• Ondes S (secondaires) : Ondes de cisaillement, se propagent uniquement dans les solides. Selon PERROUX (date), elles sont plus lentes que les ondes P et leur absence dans certaines zones indique la présence de liquides à l’intérieur de la Terre.
• Réflexion et réfraction des ondes sismiques : Phénomènes lors du passage d’ondes sismiques aux discontinuités, permettant d’étudier la structure interne. La réflexion renvoie l’onde, la réfraction la dévie, ce qui révèle la nature des matériaux traversés.
• Sismogramme : Enregistrement des ondes sismiques par des sismomètres. Selon PERROUX (date), il permet d’analyser la vitesse et la trajectoire des ondes pour déduire la composition interne.
• Zone d’ombre sismique : Zone située entre 105° et 142° de distance angulaire du foyer, où aucune onde P n’est détectée. Selon PERROUX (date), cette zone est liée à la discontinuité de Gutenberg, indiquant un liquide dans le noyau externe.
• Discontinuités : Changements brusques de propriétés physiques ou chimiques à l’intérieur de la Terre, responsables de la réflexion et de la réfraction des ondes, permettant d’établir la stratification interne.

📝 Points essentiels

• Les ondes P, en étant plus rapides, traversent tous les matériaux, ce qui permet de déduire la présence de discontinuités comme le Moho (discontinuité de Mohorovicic) située entre 5 et 90 km sous la surface.
• Les ondes S, ne se propageant pas dans les liquides, disparaissent dans la zone d’ombre sismique entre 105° et 142°, attestant de la présence d’un noyau liquide.
• La variation de vitesse des ondes avec la profondeur, étudiée par PERROUX (date), montre que la vitesse augmente avec la profondeur, indiquant une augmentation de la densité et de la pression, et révèle la présence de discontinuités majeures comme Gutenberg (2900 km) et Lehman (5150 km).
• La différence de comportement des ondes lors de leur passage à travers différentes couches permet d’établir un modèle sphérique et concentrique de la structure interne de la Terre, comme le modèle PREM.
• La zone LVZ (Low Velocity Zone) correspond à la transition entre la lithosphère rigide et l’asthénosphère ductile, où la vitesse des ondes diminue, indiquant un matériau plus chaud et moins dense.

💡 À retenir

Les ondes sismiques, par leur vitesse, réflexion et réfraction, permettent de déduire la structure interne de la Terre, notamment la présence de discontinuités et de liquides, en complétant l’observation limitée par les forages.

📖 4. Composition roches

🔑 Notions clés & Définitions

• Croûte continentale : couche de densité 2.7, composée principalement de granite (quartz, feldspaths, mica), avec une épaisseur moyenne de 35 km, pouvant dépasser 70 km sous les montagnes (voir SVT – 1ère Spécialité TH1.CH7.Cours).
• Croûte océanique : couche de densité 2.9, constituée de basaltes et gabbros (plagioclases, pyroxènes), très peu épaisse, souvent recouverte de roches sédimentaires comme le calcaire (voir SVT – 1ère Spécialité TH1.CH7.Cours).
• Texture des roches : grenue (gabbro) caractérisée par de gros cristaux issus d’un refroidissement lent, et microlithique (basalte) avec de petits cristaux issus d’un refroidissement rapide (voir SVT – 1ère Spécialité TH1.CH7.Cours).
• Composition minéralogique : différence de densité entre croûte continentale et océanique liée à leur composition minéralogique, notamment la présence de quartz, feldspaths, mica dans le granite, et de plagioclases, pyroxènes dans le basalte et gabbro.
• Péridotites : roches du manteau supérieur, composées principalement d’olivine, avec une densité d’environ 3.3, formant la lithosphère avec la croûte (voir SVT – 1ère Spécialité TH1.CH7.Cours).

📝 Points essentiels

• La composition minéralogique des croûtes continentale et océanique explique leur différence de densité, influençant leur altitude respective : la croûte continentale, moins dense, forme les continents, tandis que la croûte océanique, plus dense, compose les fonds océaniques.
• La texture des roches est liée au mode de refroidissement : la roche grenue (gabbro) résulte d’un refroidissement lent, permettant la croissance de gros cristaux, alors que la roche microlithique (basalte) résulte d’un refroidissement rapide, limitant la taille des cristaux.
• La discontinuité de Mohorovicic (Moho) marque la séparation entre la croûte et le manteau supérieur, située entre 5 et 10 km sous l’océan, et entre 20 et 90 km sous les continents, correspondant à un changement de composition minéralogique.
• La composition des roches sédimentaires, comme le calcaire, peut recouvrir la croûte océanique, notamment dans les zones de rift ou de dorsale océanique.
• La péridotite constitue la roche du manteau supérieur, avec une densité plus élevée, et forme la lithosphère avec la croûte, reposant sur l’asthénosphère.

💡 À retenir

La différence de composition minéralogique entre la croûte continentale et océanique, ainsi que leur texture, explique leur densité, leur épaisseur, et leur rôle dans la structuration de la surface terrestre.

📖 5. Méthodes indirectes

🔑 Notions clés & Définitions

• Étude des ondes sismiques : méthode consistant à analyser la propagation des ondes générées par un séisme pour déduire la structure interne de la Terre, notamment en observant leur vitesse, réflexion et réfraction (voir section 3).
• Limite des forages directs : impossibilité d’accéder aux profondeurs extrêmes de la Terre par forage, le plus profond étant celui de Kola à 11 km, ce qui limite l’observation directe de la structure interne (voir section 3).
• Tomographie sismique : technique utilisant la vitesse des ondes sismiques pour cartographier l’hétérogénéité thermique et la composition du manteau, en détectant des anomalies positives (matériaux froids) ou négatives (matériaux chauds) (voir section 9).
• Interprétation des anomalies de vitesse : analyse des variations de vitesse des ondes pour déduire la température et la densité des matériaux traversés, notamment en identifiant des anomalies positives (matériaux froids) et négatives (matériaux chauds) (voir section 9).
• Utilisation des délais entre ondes P directes et réfléchies : méthode permettant de déterminer la profondeur du Moho en mesurant le retard entre l’onde P directe et l’onde P réfléchie par cette discontinuité (voir section 3).

📝 Points essentiels

• La structure interne de la Terre est principalement étudiée par des méthodes indirectes en raison de la limite des forages (ex : forage Kola à 11 km). La technique privilégiée est l’analyse des ondes sismiques, qui permet d’observer la propagation, la réflexion et la réfraction de ces ondes dans le globe.
• La tomographie sismique exploite la variation de vitesse des ondes pour révéler des anomalies thermiques et hétérogénéités internes. Les anomalies négatives indiquent des matériaux plus chauds et moins denses, comme sous la dorsale Atlantique, tandis que les anomalies positives correspondent à des matériaux plus froids et denses, comme la plaque Pacifique en subduction (voir section 9).
• La détection des ondes P réfléchies par la discontinuité de Mohorovicic (Moho) permet de déterminer la profondeur de cette limite entre la croûte et le manteau en mesurant le délai entre l’onde directe et l’onde réfléchie (voir section 3).
• La vitesse des ondes sismiques augmente avec la profondeur en raison de la pression et de la densité croissantes, ce qui permet d’identifier les discontinuités majeures telles que Gutenberg, Lehman, et la zone LVZ (voir section 3).
• La modélisation PREM synthétise ces observations en proposant une structure sphérique, avec des couches concentriques et des discontinuités correspondant à des changements de composition ou de comportement mécanique (voir section 6).

💡 À retenir

Les méthodes indirectes, notamment l’analyse des ondes sismiques et la tomographie sismique, permettent de cartographier la structure interne de la Terre et d’identifier ses hétérogénéités thermiques et compositionnelles, en dépit de l’impossibilité d’accès direct aux profondeurs extrêmes.

📖 6. Modèle PREM

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle PREM (Preliminary Reference Earth Model) : modèle de référence décrivant la structure interne de la Terre en couches concentriques, basé sur l’étude des ondes sismiques, intégrant discontinuités majeures et distinction entre lithosphère rigide et asthénosphère ductile.
• Symétrie sphérique : principe selon lequel la Terre possède une structure interne uniforme autour de son centre, justifié par la constance des vitesses d’ondes sismiques indépendamment de la localisation géographique.
• Discontinuité de Gutenberg (2900 km) : frontière entre le manteau et le noyau externe liquide, responsable de la zone d’ombre sismique et d’un changement brusque de vitesse des ondes.
• Discontinuité de Lehman (5150 km) : séparation entre le noyau externe liquide et le noyau interne solide, caractérisée par une augmentation de la vitesse des ondes sismiques.
• Distinction lithosphère/asthénosphère : la lithosphère, rigide et cassante, comprend la croûte et la partie supérieure du manteau, tandis que l’asthénosphère, ductile, permet la mobilité des plaques lithosphériques.

📝 Points essentiels

• Le modèle PREM repose sur l’analyse des ondes sismiques, notamment leur vitesse, leur réflexion et réfraction aux discontinuités, permettant d’établir une structure interne sphérique et stratifiée de la Terre.
• La discontinuité de Mohorovicic (Moho) marque la limite entre la croûte (continentale ou océanique) et le manteau supérieur, située entre 5 et 90 km selon la localisation.
• La zone d’ombre sismique entre 105° et 142° est due à la réfraction des ondes P à la discontinuité de Gutenberg, indiquant la présence d’un noyau externe liquide.
• La distinction entre la lithosphère (rigide, cassante) et l’asthénosphère (ductile, en dessous) est confirmée par la variation de vitesse des ondes sismiques et la profondeur du LVZ (~700 km).
• La température interne est estimée à environ 5000°C au centre, avec un gradient géothermique variable (30°C/km dans la croûte, ~0.5°C/km dans le manteau), et la convection thermique joue un rôle clé dans la dynamique interne.

💡 À retenir

Le modèle PREM synthétise la structure interne de la Terre en couches concentriques, en intégrant discontinuités et comportements mécaniques, grâce à l’étude des ondes sismiques, permettant de comprendre la composition, la dynamique et la température du globe.

📖 7. Gradient géothermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Gradient géothermique : Taux d’augmentation de la température en fonction de la profondeur dans la Terre. Selon SVT – 1ère Spécialité, il correspond à la variation de température par kilomètre de profondeur.
• Valeur moyenne dans la croûte : 30°C/km, indiquant une augmentation rapide de la température avec la profondeur dans la croûte terrestre.
• Valeur moyenne dans le manteau : environ 0.5°C/km, reflétant une augmentation beaucoup plus faible de la température avec la profondeur dans le manteau.
• Exemple de mesure : 180°C à 11 km dans le forage Kola, illustrant la variation de température en profondeur.
• Limitation du gradient linéaire : La température ne suit pas une progression linéaire sur tout le rayon terrestre, notamment en raison des mécanismes de transfert thermique (conduction et convection) et des variations locales.

📝 Points essentiels

• Le gradient géothermique est élevé dans la croûte (30°C/km), mais devient très faible dans le manteau (environ 0.5°C/km), ce qui limite la température au centre de la Terre à environ 5000°C, bien en dessous du calcul théorique basé sur un gradient constant.
• La température interne de la Terre est principalement due à la chaleur résiduelle de l’accrétion initiale et à la désintégration radioactive de Thorium, Potassium, et Uranium.
• La conduction thermique prédomine dans la lithosphère, où la matière est rigide, tandis que la convection est dominante dans le manteau asthénosphérique, permettant un transfert thermique beaucoup plus efficace.
• La tomographie sismique révèle des anomalies de vitesse des ondes, permettant d’interpréter la température locale : une vitesse plus rapide indique un matériau plus froid et dense, une vitesse plus lente indique un matériau plus chaud et moins dense.
• Exemple : sous la dorsale Atlantique, anomalie de vitesse négative (matériaux plus chauds), tandis qu’au Japon, anomalie positive (plaque froide et dense en subduction).

💡 À retenir

Le gradient géothermique n’est pas uniforme : il est élevé dans la croûte et très faible dans le manteau, ce qui limite la température interne réelle de la Terre à environ 5000°C, malgré une augmentation théorique linéaire. La conduction et la convection thermiques jouent un rôle clé dans la répartition de cette chaleur.

📖 8. Transferts thermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Transfert thermique par conduction : transmission d’énergie thermique sans déplacement de matière, se réalisant par contact direct entre atomes ou molécules, lent et peu efficace. Dans la lithosphère, ce mode explique le fort gradient géothermique. (voir aussi gradient géothermique)

• Transfert thermique par convection : transfert d’énergie thermique avec mouvement de matière, où les matériaux chauds moins denses remontent, puis se refroidissent en redescendant, formant des mouvements de convection. Ce mode est très efficace dans les matériaux ductiles comme le manteau asthénosphérique ou le noyau liquide. (voir aussi convection thermique)

• Origine de la chaleur terrestre : provient de l’accrétion initiale lors de la formation de la Terre et de la radioactivité (Thorium, Potassium, Uranium), responsables de la dissipation de chaleur interne. (voir aussi origine de la chaleur terrestre)

📝 Points essentiels

• La conduction est le mode dominant dans la lithosphère, qui est rigide et cassante, expliquant le fort gradient géothermique (30°C/km dans la croûte). Elle est lente et peu efficace, ce qui limite la dissipation de chaleur dans cette couche.

• La convection est prédominante dans l’asthénosphère et le noyau liquide, où la ductilité permet le déplacement de matière. Elle est très efficace, permettant une redistribution rapide de la chaleur interne, ce qui explique la faible différence de température dans ces zones.

• La température interne de la Terre augmente avec la profondeur, mais le gradient géothermique n’est pas constant : il est de 30°C/km dans la croûte, puis en moyenne de 0.5°C/km dans le manteau. La tomographie sismique montre que cette hétérogénéité thermique est liée à des anomalies de vitesse des ondes, indiquant des matériaux plus chauds ou plus froids (ex : dorsale Atlantique vs Japon).

• La zone LVZ (Low Velocity Zone) correspond à la transition entre la lithosphère rigide et l’asthénosphère ductile, où la vitesse des ondes sismiques diminue en raison de la déformation partielle des péridotites proches de leur point de fusion.

• La compréhension des transferts thermiques permet d’établir le modèle PREM, qui décrit la structure concentrique de la Terre, avec une discontinuité de Mohorovicic (Moho), la zone LVZ, la discontinuité de Gutenberg, et celle de Lehman.

💡 À retenir

Les transferts thermiques dans la Terre, principalement par conduction dans la lithosphère et par convection dans le manteau et le noyau liquide, expliquent la distribution de la chaleur interne et la dynamique de la planète, tout en étant modulés par la composition et la structure des différentes couches.

📖 9. Hétérogénéité thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Tomographie sismique : méthode utilisant la vitesse des ondes sismiques pour déduire la structure interne de la Terre, notamment la température et la densité des matériaux (voir section 5). Elle permet d’identifier des anomalies de vitesse liées à des variations thermiques.

• Anomalie de vitesse des ondes sismiques : différence entre la vitesse mesurée des ondes (P ou S) dans un matériau et la vitesse attendue selon le modèle PREM. Une vitesse plus faible indique un matériau plus chaud et moins dense, une vitesse plus élevée indique un matériau plus froid et plus dense (voir section 5).

• Anomalie négative sous dorsale Atlantique : indication de matériaux plus chauds et moins denses, détectée par tomographie sismique, correspondant à la remontée de péridotites du manteau supérieur en fusion partielle sous la dorsale.

• Anomalie positive au Japon : correspond à une plaque froide et dense, notamment la plaque Pacifique en subduction, qui plonge sous la plaque asiatique, entraînant une vitesse plus élevée des ondes sismiques dans cette zone.

• Hétérogénéité thermique du manteau : variation locale de la température et de la densité dans le manteau, mise en évidence par la tomographie sismique, qui montre que la structure thermique du manteau ne suit pas le modèle PREM théorique (voir section 5).

📝 Points essentiels

• La tomographie sismique est une méthode indirecte essentielle pour étudier la structure interne de la Terre, car l’observation directe est limitée (forages profonds ne dépassant pas 11 km, voir section 5).

• La vitesse des ondes sismiques dépend de la température et de la densité des matériaux traversés : plus chaud, moins dense, plus lent ; plus froid, plus dense, plus rapide (voir section 5).

• La détection d’anomalies de vitesse permet d’identifier des zones de matériaux plus chauds ou plus froids dans le manteau. Par exemple, une anomalie négative sous la dorsale Atlantique indique la remontée de matériaux chauds en fusion partielle, favorisant la création de nouvelle croûte océanique.

• Au Japon, une anomalie positive traduit la présence d’une plaque froide et dense en subduction, ce qui explique la plongée de la plaque Pacifique sous la plaque Asiatique.

• Ces variations locales de température et de densité montrent que le manteau est hétérogène thermiquement, contrairement au modèle PREM qui suppose une structure sphérique homogène (voir section 5).

💡 À retenir

L’étude des anomalies de vitesse des ondes sismiques par tomographie révèle une hétérogénéité thermique du manteau, avec des zones chaudes en remontée sous les dorsales et des plaques froides en subduction, illustrant la dynamique interne de la Terre.

📊 Tableaux de Synthèse

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confondre la composition de la croûte continentale (granite) avec celle océanique (basalte).
2. Croire que la discontinuité de Mohorovicic (Moho) se trouve toujours à la même profondeur, alors qu’elle varie selon la localisation.
3. Confondre la zone d’ombre sismique (liée au noyau liquide) avec une zone sans ondes, alors qu’elle indique simplement une réfraction ou absorption.
4. Oublier que les ondes S ne traversent pas les liquides, ce qui explique leur disparition dans le noyau externe.
5. Confondre la discontinuité de Gutenberg avec celle de Lehman, en pensant qu’elles sont situées à la même profondeur.
6. Croire que la vitesse des ondes diminue avec la profondeur, alors qu’elle augmente généralement sauf dans la LVZ.
7. Négliger l’importance de la discontinuité de Mohorovicic dans la détection de la croûte.

✅ Checklist Examen

1. Connaître la composition de la croûte continentale et océanique selon SVT – 1ère Spécialité TH1.CH7.Cours.
2. Savoir définir la discontinuité de Mohorovicic (Moho) et sa localisation.
3. Expliquer le rôle des ondes P et S dans la détection des couches internes, en s’appuyant sur PERROUX.
4. Identifier la discontinuité de Gutenberg à 2900 km et ses implications pour la présence d’un noyau liquide.
5. Décrire la discontinuité de Lehman à 5150 km et la différence entre noyau interne et externe.
6. Comprendre le phénomène de zone d’ombre sismique et sa relation avec la discontinuité de Gutenberg.
7. Maîtriser la différence entre la lithosphère (croûte + partie du manteau) et l’asthénosphère, notamment la zone LVZ.
8. Connaître la composition minéralogique de la croûte continentale (granite) et océanique (basalte).
9. Savoir que la vitesse des ondes sismiques augmente avec la profondeur, sauf dans la LVZ.
10. Être capable d’expliquer comment la réfraction et la réflexion des ondes permettent d’établir la structure interne.
11. Se rappeler que la discontinuité de Mohorovicic (Moho) se trouve entre 5 et 90 km selon la localisation.
12. Vérifier la maîtrise du vocabulaire : zone d’ombre sismique, discontinuité, réfraction, réflexion, LVZ, etc.